半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)第2講.ppt

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小結(jié)本講主要介紹了以下基本內(nèi)容 PN結(jié)形成 擴(kuò)散 復(fù)合 空間電荷區(qū) 耗盡層 勢(shì)壘區(qū) 阻擋層 內(nèi)建電場(chǎng) 動(dòng)態(tài)平衡PN結(jié)的單向?qū)щ娦?正偏導(dǎo)通 反偏截止PN結(jié)的特性曲線(xiàn) 正向特性 死區(qū)電壓 導(dǎo)通電壓反向特性 反向飽和電流 溫度影響大擊穿特性 電擊穿 雪崩擊穿 齊納擊穿 熱擊穿PN結(jié)的電容效應(yīng) 勢(shì)壘電容 擴(kuò)散電容 1 2 4半導(dǎo)體二極管及其參數(shù) 二極管 Diode PN結(jié) 管殼 引線(xiàn) 結(jié)構(gòu) 分類(lèi) 1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及分類(lèi) 按材料分 硅二極管 鍺二極管 按結(jié)構(gòu)分 點(diǎn)接觸型 面接觸型和平面型 1 點(diǎn)接觸型二極管 PN結(jié)面積小 結(jié)電容小 用于檢波和變頻等高頻電路 2 面接觸型二極管 PN結(jié)面積大 用于工頻大電流整流電路 3 平面型二極管 用于集成電路制造工藝中 PN結(jié)面積可大可小 用于高頻整流和開(kāi)關(guān)電路中 半導(dǎo)體二極管的符號(hào) 由P區(qū)引出的電極稱(chēng)為陽(yáng)極 正極 由N區(qū)引出的電極稱(chēng)為陰極 負(fù)極 U 二 半導(dǎo)體二極管的伏安特性 反向飽和電流 電子電量 玻爾茲曼常數(shù) 當(dāng)T 300K UT 26mv 溫度的電壓當(dāng)量 PN結(jié)兩端的電壓降 流過(guò)PN結(jié)的電流 當(dāng)u 0u UT時(shí) 當(dāng)u UT 時(shí) 1 正向特性 2 反向特性 伏安特性曲線(xiàn) 硅 0 5V 硅 0 6 0 8V典型值為0 7V 鍺 硅 mA A 鍺 0 1 0 3V 鍺 0 1V 2 半導(dǎo)體二極管的伏安特性 PN結(jié)的伏安特性曲線(xiàn) 在反向區(qū) 硅二極管和鍺二極管的特性有所不同 硅二極管的反向擊穿特性比較硬 比較陡 反向飽和電流也很小 鍺二極管的反向擊穿特性比較軟 過(guò)渡比較圓滑 反向飽和電流較大 3 半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù) 1 直流電阻RD 指二極管兩端所加直流電壓與流過(guò)它的直流電流之比 RD不是恒定值 在正向工作區(qū)域 RD隨UD增大而減小 在反向工作區(qū)域 RD隨UD增大而增大 2 交流電阻rd 指二極管在其工作點(diǎn)Q UDQ IDQ 處的電壓微變量與電流微變量之比 rd幾何意義 指二極管伏安特性曲線(xiàn)上Q點(diǎn)處切線(xiàn)斜率的倒數(shù) 據(jù)伏安特性方程 可得 3 最大整流電流IFM 二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí) 允許通過(guò)二極管的最大整流電流的平均值 4 反向擊穿電壓UBR 二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值稱(chēng)為反向擊穿電壓UBR 最大反向工作電壓URM 為安全計(jì) 在實(shí)際工作時(shí) 最大反向工作電壓URM一般只按反向擊穿電壓UBR的一半計(jì)算 5 反向電流IS 在室溫下 在規(guī)定的反向電壓下的反向電流值 硅二極管的反向電流一般在納安 nA 級(jí) 鍺二極管在微安 A 級(jí) 6 最高工作頻率fM 由PN結(jié)的結(jié)電容大小決定 二極管的工作頻率超過(guò)fM時(shí) 單向?qū)щ娦宰儾?1 2 5二極管的電路模型 1 理想模型 理想模型是指在正向偏置時(shí) 其管壓降為零 相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的閉合 當(dāng)反向偏置時(shí) 其電流為零 阻抗為無(wú)窮 相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的斷開(kāi) 具有這種理想特性的二極管也叫做理想二極管 在實(shí)際電路中當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二極管的管壓降時(shí) 利用此模型分析是可行的 2 定壓降模型 定壓降模型是指二極管在正向?qū)〞r(shí) 其管壓降為恒定值 截止時(shí)反向電流為零 硅管的管壓降0 7V 鍺管的管壓降為0 3V 3 分段線(xiàn)性模型 二極管正向電壓大于UD ON 后其電流I與U成線(xiàn)性關(guān)系 直線(xiàn)斜率為1 RD 二極管截止時(shí)反向電流為零 二極管的應(yīng)用舉例 例1鉗位電路電路如圖所示 若UA UB兩點(diǎn)電位分別為0V 3V不同組合時(shí) 計(jì)算輸出電壓UO值 并分析二極管的工作狀態(tài) 設(shè)二極管為硅二極管 導(dǎo)通壓降為0 7V 1 UA 0VUB 0V VD1 VD2均正向?qū)?UO 0 7V 2 UA 3VUB 3V VD1 VD2均正向?qū)?UO 3 7V 3 UA 0VUB 3V VD1正向?qū)╒D2截止 UO 0 7V 二極管VD1兩端電位差大而優(yōu)先導(dǎo)通 4 UA 3VUB 0V VD2正向?qū)╒D1截止 UO 0 7V 二極管VD2優(yōu)先導(dǎo)通 如何判斷二極管是否導(dǎo)通 判斷二極管工作狀態(tài)時(shí) 可先將二極管斷開(kāi) 然后比較兩極電位 如果處于正偏 則二極管導(dǎo)通 否則截止 電位差大的優(yōu)先導(dǎo)通 例2 寫(xiě)出圖示各電路的輸出電壓值 設(shè)二極管導(dǎo)通電壓UD 0 7V UO1 1 3V UO2 0V UO3 1 3V 例3ui 2sin t V 畫(huà)出輸出電壓uo的波形 ui較小 宜采用恒壓降模型 0 7v ui 0 7v u1 u2均截止 uO ui uO 0 7v ui 0 7v u2導(dǎo)通u1截止 ui 0 7v u1導(dǎo)通u2截止 uO 0 7v 思考題 v1 v2支路各串聯(lián)恒壓源 輸出波形如何 ui 5sin t V 畫(huà)出輸出電壓uo的波形 二極管是理想的 練習(xí) 估算圖示電路中流過(guò)二極管的電流ID和U 二極管是理想的 練習(xí) 1 3特殊二極管 穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊二極管 反偏電壓 UZ反向擊穿 電路符號(hào) U I IZmin 穩(wěn)壓誤差 曲線(xiàn)越陡 電壓越穩(wěn)定 UZ 1 3 1穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓原理 根據(jù)電路圖可知 UI UO UZ IZ IR UR UO IR 使用穩(wěn)壓管注意事項(xiàng) 在工作時(shí)反接 并串入一只電阻 電阻的作用一是起限流作用 保護(hù)穩(wěn)壓管 其次是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時(shí) 通過(guò)該電阻上電壓降的變化 取出誤差信號(hào)以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流 從而起到穩(wěn)壓作用 限流電阻R的選擇 2 在Ui最低和IL最大時(shí) 流過(guò)穩(wěn)壓管的電流最小 這時(shí)應(yīng)保證IZ不小于穩(wěn)壓管最小電流值 1 在Ui最高和IL最小時(shí) 流過(guò)穩(wěn)壓管的電流最大 此時(shí)電流不能高于穩(wěn)壓管最大穩(wěn)定電流 限流電阻R的選擇范圍為 Rmin R Rmax 1 穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓區(qū)是其工作在 A 正向?qū)▍^(qū)B 反向截止區(qū)C 反向擊穿區(qū) 練習(xí) 現(xiàn)有兩只穩(wěn)壓管 它們的穩(wěn)定電壓分別是6V和8V 正向?qū)妷菏? 7V 試問(wèn) 1 若將它們串聯(lián)連接 可得到幾種穩(wěn)壓值 各為多少 2 若將它們并聯(lián)連接 又可得到幾種穩(wěn)壓值 各為多少 例1 如圖 已知UZ 10V 負(fù)載電壓UL 5 10 15 20 A UL 穩(wěn)壓管的工作條件 必須工作在反向擊穿狀態(tài) 電路中應(yīng)有限流電阻 以保證反向電流不超過(guò)允許范圍 例2 已知ui 6sin t UZ 3V 畫(huà)輸出波形 3 3 O O 1 3 2變?nèi)荻O管 1 3 3發(fā)光二極管 有正向電流流過(guò)時(shí) 發(fā)出一定波長(zhǎng)范圍的光 目前的發(fā)光管可以從紅外到可見(jiàn)波段的光 它的電特性與一般二極管類(lèi)似 1 3 4光電二極管 反向電流隨光照度的增加而增大 半導(dǎo)體二極管 小結(jié)本講主要介紹了以下基本內(nèi)容 半導(dǎo)體二極管的構(gòu)成和類(lèi)型 點(diǎn)接觸型 面接觸型 平面型 硅管 鍺管等 半導(dǎo)體二極管的特性 與PN結(jié)基本相同 半導(dǎo)體二極管的參數(shù)半導(dǎo)體二極管的等效模型 理想模型 恒壓降模型 折線(xiàn)模型應(yīng)用二極管等效模型分析和計(jì)算半導(dǎo)體二極管電路的基本方法簡(jiǎn)要介紹了其它類(lèi)型的二極管 2020 3 28 1 4半導(dǎo)體三極管 半導(dǎo)體三極管 也叫晶體三極管 由于工作時(shí) 多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行 因此 還被稱(chēng)為雙極型三極管 BipolarJunctionTransistor 簡(jiǎn)稱(chēng)BJT 三極管的分類(lèi) 按照頻率 高頻管和低頻管 按結(jié)構(gòu) NPN型和PNP型 按功率大小 大功率管1mW 按所用半導(dǎo)體材料 硅管和鍺管 1 4 1三極管的結(jié)構(gòu) NPN型 符號(hào) 三極管是由兩個(gè)PN結(jié)和三塊摻雜半導(dǎo)體組成 e emitter b base c collector 雙極型三極管的符號(hào)中 發(fā)射極的箭頭代表發(fā)射極電流的實(shí)際方向 兩個(gè)結(jié) 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)三個(gè)區(qū) 基區(qū) 集電區(qū) 發(fā)射區(qū)三個(gè)極 基極 集電極 發(fā)射極 PNP型 符號(hào) 常見(jiàn)三極管的外形結(jié)構(gòu) 基區(qū) 最薄 摻雜濃度最低 發(fā)射區(qū) 摻雜濃度最高 發(fā)射結(jié) 集電結(jié) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 集電區(qū) 面積最大 1 三極管放大的外部條件 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 PNP發(fā)射結(jié)正偏VB VE集電結(jié)反偏VC VB 從電位的角度看 NPN發(fā)射結(jié)正偏VB VE集電結(jié)反偏VC VB 1 4 2三極管的工作原理 1 4 2三極管的工作原理 1 三極管放大的條件 內(nèi)部條件 發(fā)射區(qū)摻雜濃度高 基區(qū)薄且摻雜濃度低 集電結(jié)面積大 外部條件 發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏 2 滿(mǎn)足放大條件的三種電路 共發(fā)射極 共集電極 共基極 3 各電極電流關(guān)系及電流放大作用 結(jié)論 1 三電極電流關(guān)系IE IB IC2 IC IB IC IE3 IC IB 把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱(chēng)為晶體管的電流放大作用 實(shí)質(zhì) 用一個(gè)微小電流的變化去控制一個(gè)較大電流的變化 是CCCS器件 1 發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入多子電子 形成發(fā)射極電流IE ICN 多數(shù)向BC結(jié)方向擴(kuò)散形成ICN IE 少數(shù)與空穴復(fù)合 形成IBN IBN 基區(qū)空穴來(lái)源 基極電源提供 IB 集電區(qū)少子漂移 ICBO ICBO IB IBN IEP IB ICBO 即 IB IBN ICBO 2 電子到達(dá)基區(qū)后 基區(qū)空穴運(yùn)動(dòng)因濃度低而忽略 3 三極管內(nèi)部載流子的傳輸過(guò)程 以共射電路為例 ICN IE IBN ICBO IB 3 集電區(qū)收集擴(kuò)散過(guò)來(lái)的載流子形成集電極電流IC IC IC ICN ICBO 4 電流分配關(guān)系 從外部看 定義 直流放大系數(shù) 因?yàn)?交流放大系數(shù) IB的改變控制了IC的變化 體現(xiàn)了三極管的電流控制功能 共基直流電流傳輸方程 為共基電流傳輸系數(shù) 它只與管子的結(jié)構(gòu)尺寸和摻雜濃度有關(guān) 與外加電壓無(wú)關(guān) 一般 0 9 0 995 三極管是一種電流控制器件 1 4 3三極管的特性曲線(xiàn) 共發(fā)射極接法 三極管的特性曲線(xiàn)是指三極管各電極電壓與電流之間的關(guān)系曲線(xiàn) 它是三極管內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn) 由于三極管和二極管一樣也是非線(xiàn)性元件 不能用一個(gè)固定的數(shù)值或一個(gè)簡(jiǎn)單的方程式來(lái)表示各電極電壓與電流之間的關(guān)系 所以要用伏安特性曲線(xiàn)對(duì)它進(jìn)行描述 發(fā)射極是輸入回路 輸出回路的公共端 共發(fā)射極電路 輸入回路 輸出回路 測(cè)量晶體管特性的實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路 1 輸入特性曲線(xiàn)iB f uBE uCE 常數(shù) 1 uCE 0V時(shí) 相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)并聯(lián) 3 uCE 1V再增加時(shí) 曲線(xiàn)右移很不明顯 2 當(dāng)uCE 1V時(shí) 集電結(jié)已進(jìn)入反偏狀態(tài) 開(kāi)始收集電子 所以基區(qū)復(fù)合減少 在同一uBE電壓下 iB減小 特性曲線(xiàn)將向右稍微移動(dòng)一些 輸入電流 輸入電壓 2 輸出特性曲線(xiàn)iC f uCE iB 常數(shù) 現(xiàn)以iB 60uA一條加以說(shuō)明 1 當(dāng)uCE 0V時(shí) 因集電極無(wú)收集作用 iC 0 2 uCE IC 3 當(dāng)uCE 1V后 收集電子的能力足夠強(qiáng) 這時(shí) 發(fā)射到基區(qū)的電子都被集電極收集 形成iC 所以u(píng)CE再增加 iC基本保持不變 同理 可作出iB 其他值的曲線(xiàn) 輸出特性曲線(xiàn)可以分為三個(gè)區(qū)域 飽和區(qū) iC受uCE顯著控制的區(qū)域 該區(qū)域內(nèi)uCE 0 7V 此時(shí)發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)也正偏 截止區(qū) iC接近零的區(qū)域 相當(dāng)iB 0的曲線(xiàn)的下方 此時(shí) 發(fā)射結(jié)反偏 集電結(jié)反偏 放大區(qū) 曲線(xiàn)基本平行等距 此時(shí) 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 該區(qū)中有 飽和區(qū) 截止區(qū) 溫度對(duì)晶體管特性及參數(shù)的影響 一 溫度對(duì)ICBO的影響 溫度每升高10 ICBO增加約一倍 反之 當(dāng)溫度降低時(shí)ICBO減少 硅管的ICBO比鍺管的小得多 二 溫度對(duì)輸入特性的影響 溫度升高時(shí)正向特性左移 反之右移 三 溫度對(duì)輸出特性的影響 溫度升高將導(dǎo)致IC增大 溫度對(duì)輸出特性的影響 1 4 4三極管的主要參數(shù) 1 電流放大系數(shù) 一般取20 200之間 1 共發(fā)射極電流放大系數(shù) 共基和共射直流電流放大系數(shù)定義分別為 共基和共射交流電流放大系數(shù)分別定義為 2 極間反向電流 2 集電極發(fā)射極間的穿透電流ICEO基極開(kāi)路時(shí) 集電極到發(fā)射極間的電流 穿透電流 其大小與溫度有關(guān) 1 集電極基極間反向飽和電流ICBO發(fā)射極開(kāi)路時(shí) 在其集電結(jié)上加反向電壓 得到反向電流 它實(shí)際上就是一個(gè)PN結(jié)的反向電流 其大小與溫度有關(guān) 鍺管 ICBO為微安數(shù)量級(jí) 硅管 ICBO為納安數(shù)量級(jí) 3 極限參數(shù) Ic增加時(shí) 要下降 當(dāng) 值下降到線(xiàn)性放大區(qū) 值的70 時(shí) 所對(duì)應(yīng)的集電極電流稱(chēng)為集電極最大允許電流ICM 1 集電極最大允許電流ICM 2 集電極最大允許功耗PCM集電極電流通過(guò)集電結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的功耗 PC ICUCE PCM PCM 3 反向擊穿電壓 U BR CEO 基極開(kāi)路時(shí) 集電極與發(fā)射極之間允許的最大反向電壓 已知 ICM 20mA PCM 100mW U BR CEO 20v 問(wèn) 當(dāng)UCE 10v時(shí) IC mA當(dāng)UCE 1v 則IC mA當(dāng)IC 2mA 則UCE v 4 有兩只晶體管 一只的 200 ICEO 200 A 另一只的 100 ICEO 100 A 其他參數(shù)大致相同 你認(rèn)為應(yīng)選用哪種管子 為什么 5 為使NPN型管和PNP型管工作在放大狀態(tài) 應(yīng)分別在外部加什么樣的電壓 思考題 1 既然BJT具有兩個(gè)PN結(jié) 可否用兩個(gè)二極管相聯(lián)以構(gòu)成一只BJT 試說(shuō)明其理由 2 能否將BJT的e c兩個(gè)電極交換使用 為什么 3 為什么說(shuō)BJT是電流控制型器件 例2 有三只晶體管 分別為 鍺管 150 ICBO 2 A 硅管 100 ICBO 1 A 硅管 40 ICEO 41 A 試從 和溫度穩(wěn)定性選擇一只最佳的管子 解 值大 但I(xiàn)CBO也大 溫度穩(wěn)定性較差 值較大 ICBO 1 A ICEO 101 A 值較小 ICEO 41 A ICBO 1 A ICBO相等 但 的 較大 故 較好 例1 由晶體管各管腳電位判定晶體管屬性 1 A 1VB 0 3VC 3V 2 A 0 2VB 0VC 3V 如何區(qū)分硅管和鍺管如何區(qū)分NPN PNP管如何區(qū)分三個(gè)極 A UBE 0 2V 鍺管 UBE 0 7V 硅管 B 步驟 1 區(qū)分硅管 鍺管 并確定C極 以相近兩個(gè)電極的電壓差為依據(jù) UBE硅 0 7V UBE鍺 0 2V 0 3V 2 區(qū)分NPN PNP管 NPN VC最高 PNP VC最低 3 區(qū)分三極 NPN VC VB VEPNP VC UB VE 解 1 硅管 NPN管A 基極 B 發(fā)射極 C 集電極 2 鍺管 PNP管A 基極 B 發(fā)射極 C 集電極 例3 一個(gè)NPN管子在電路中正常工作 現(xiàn)測(cè)得 則此時(shí)該管子工作區(qū)為 a 飽和區(qū)b 截止區(qū)c 放大區(qū) C 判斷晶體管的工作狀態(tài) 根據(jù)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)的偏置情況判斷 截止?fàn)顟B(tài) 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都反偏 放大狀態(tài) 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏 飽和狀態(tài) 發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都正偏 三極管工作狀態(tài)的判斷 例1 測(cè)量某NPN型BJT各電極對(duì)地的電壓值如下 試判別管子工作在什么區(qū)域 1 VC 6VVB 0 7VVE 0V 2 VC 6VVB 4VVE 3 6V 3 VC 3 6VVB 4VVE 3 3V 解 對(duì)NPN管而言 放大時(shí)VC VB VE對(duì)PNP管而言 放大時(shí)VC VB VE 1 放大區(qū) 2 截止區(qū) 3 飽和區(qū) 例2下圖所示各晶體管處于放大工作狀態(tài) 已知各電極直流電位 試確定晶體管的類(lèi)型 NPN PNP 硅 鍺 并說(shuō)明x y z代表的電極 圖 提示 1 晶體管工作于放大狀態(tài)的條件 NPN管 UC UB UE PNP管 UE UB UC 2 導(dǎo)通電壓 硅管 UBE 0 6 0 7v 硅管 UBE 0 2 0 3v 例3圖所示電路中 晶體管為硅管 UCE sat 0 3v 求 當(dāng)UI 0v UI 1v和UI 2v時(shí)UO 解 1 UI 0v時(shí) UBE Uon 晶體管截止 IC IB 0 UO uCC 12v 3 UI 2v時(shí) 2 UI 1v時(shí) 例4 某放大電路中BJT三個(gè)電極的電流如圖所示 IA 2mA IB 0 04mA IC 2 04mA 試判斷管腳 管型 解 電流判斷法 電流的正方向和KCL IE IB IC A B C IA IB IC C為發(fā)射極B為基極A為集電極 管型為NPN管 測(cè)得放大電路的四只晶體管的直流電位如圖所示 在圓圈中畫(huà)出管子 并分別說(shuō)明是NPN還是PNP 是硅管還是鍺管 練習(xí) 判斷圖示電路能否工作在放大狀態(tài) 練習(xí)